(57)【要約】【課題】      低温始動性を向上させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質１及び当該電解質１の両側に設けられる触媒層２、３を備えるＭＥＡ４と、ＭＥＡ４の両側に設けられる拡散層５、６と、拡散層５、６の外側に設けられるセパレータ２０、３０と、を備える単セル１０を積層した、積層体を備える燃料電池１００であって、セパレータ２０及び３０には、少なくとも拡散層５及び６に当接する面に、反応ガス供給路２８及び３８としての凹部２６及び３６と、当該凹部２６及び３６に隣接する凸部２５及び３５とが形成されているとともに、拡散層５及び６は、セパレータの凸部２５及び３５に当接する拡散層部位と、セパレータの凹部２６及び３６と対向する拡散層部位とを備え、積層体の端部に配置される単セル１０Ａ、１０Ａにおける凸部３５Ａに当接する拡散層部位のガス透過度が、積層体の中央部に配置される単セル１０Ｂ、１０Ｂ、…における凸部３５Ｂに当接する拡散層部位のガス透過度よりも高い、燃料電池１００とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質及び前記電解質の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、前記ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、前記拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、
前記セパレータには、少なくとも前記拡散層に当接する面に、反応ガス供給路としての凹部と、前記凹部に隣接する凸部とが形成されているとともに、
前記拡散層は、前記凸部に当接する部位と、前記凹部と対向する部位とを備えるとともに、前記積層体の端部に配置される単セルにおける前記凸部に当接する部位のガス透過度が、前記積層体の中央部に配置される単セルにおける前記凸部に当接する部位のガス透過度よりも高いことを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記端部に配置される単セルにおける前記拡散層の厚さが、前記中央部に配置される単セルにおける前記拡散層の厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記端部に配置される単セルにおける前記凸部の幅が、前記中央部に配置される単セルにおける前記凸部の幅よりも狭いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記端部に配置される単セルにおける前記凸部の幅と前記凹部の幅との比凸部幅／凹部幅が、前記中央部に配置される単セルにおける前記凸部の幅と前記凹部の幅との比凸部幅／凹部幅よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質及び前記電解質の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、前記ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、前記拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、
前記積層体の端部に配置される単セルは、前記拡散層に当接する前記セパレータの面に反応ガス供給路が形成されておらず、かつ、前記拡散層に反応ガスが供給され、
前記積層体の中央部に配置される単セルにおける、前記拡散層に当接する前記セパレータの面には、反応ガス供給路が形成されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項６】
前記端部に配置される単セルにおける前記拡散層は多孔質材により構成されるとともに、該拡散層には反応ガス供給路が形成されていないことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
電解質及び前記電解質の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、前記ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、前記拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、
前記積層体の前記単セル内に反応ガス供給路が形成されるとともに、該反応ガス供給路と前記拡散層とが接触しており、
前記積層体の端部に配置される単セルにおける前記反応ガス供給路と前記拡散層との接触面積が、前記積層体の中央部に配置される単セルにおける前記反応ガス供給路と前記拡散層との接触面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池。
【請求項８】
前記端部に配置される単セルは、前記拡散層に当接する面に反応ガス供給路が形成されていない前記セパレータと、前記セパレータと当接する面に反応ガス供給路が形成された前記拡散層とを備え、
前記中央部に配置される単セルは、前記拡散層に当接する面に反応ガス供給路が形成された前記セパレータを備えていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、低温始動性を向上させることが可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であり、通常５０〜１００℃の運転温度で使用される。また、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜、触媒層と拡散層とを備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を構成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
燃料電池における電気発生の源となる電気化学反応は、以下の工程で進行する。まず、セパレータに形成された溝を通して燃料極へと届けられた水素は、触媒の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
燃料極（アノード）側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                    （式１）
そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜を通過して空気極へと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通って空気極へと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、空気極へと届けられた酸素が、空気極へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
空気極（カソード）側：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ    (式２)
【０００５】
電気自動車の用途に対して、燃料電池は、起動後直ちに電気エネルギーを発生すること、すなわち、良好な始動性を有することが要求される。しかし、例えば氷点下の寒冷環境では、カソード内における水の凍結等が生じる結果、良好な始動性が得られ難い。かかる水の凍結は、特に、外気により冷却されやすいスタックの端部に配置された単セル（以下において、「端部セル」と記述することがある。）内で発生しやすいことが知られている。したがって、端部セルの寒冷環境下における始動性（以下において、「低温始動性」と記述する。）を向上させることで、燃料電池の効率を向上させることが望まれている。
【０００６】
端部セルの低温始動性を向上させることを目的とした技術は、これまでに開示されている。例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの両端部に位置する単セルのカソード側ガス拡散層のガス透過度を、他の部分に位置する単セルのそれよりも高くする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５７８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示されている技術を適用したとしても、例えば、拡散層に当接しているセパレータ面に反応ガス供給路が形成されている燃料電池において、当該供給路に隣接したセパレータの凸部に当接する拡散層部位のガス透過度が高くない場合には、セパレータの凸部と接触することにより生成された水が凍結し、充分な低温始動性の向上を図ることが困難である等の問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、低温始動性を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質及び当該電解質の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、セパレータには、拡散層に当接する面に、反応ガス供給路としての凹部と、当該凹部に隣接する凸部とが形成されているとともに、拡散層は、セパレータの凸部に当接する拡散層部位と、セパレータの凹部と対向する拡散層部位とを備えるとともに、積層体の端部に配置される単セルにおける凸部に当接する拡散層部位のガス透過度が、積層体の中央部に配置される単セルにおける凸部に当接する拡散層部位のガス透過度よりも高いことを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
ここに、「積層体の端部に配置される単セル」は、定常状態における燃料電池の性能を重視するという観点からは、積層体の両端に配置されている２セルを基本とする一方、当該両端の２セルのみでは燃料電池の低温始動性の向上が不十分である場合には、積層体の両端から順にセル数を増加させた両端の複数セルとすることもできる。これに対し、「積層体の中央部に配置される単セル」とは、積層体を構成する全ての単セルから積層体の端部に配置される単セルを除いた単セルを意味している。以下においても同様とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、端部に配置される単セルにおける拡散層の厚さが、中央部に配置される単セルにおける拡散層の厚さよりも薄いことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、端部に配置される単セルのセパレータにおける凸部の幅が、中央部に配置される単セルのセパレータにおける凸部の幅よりも狭いことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、端部に配置される単セルのセパレータにおける凸部の幅と凹部の幅との比凸部幅／凹部幅が、中央部に配置される単セルのセパレータにおける凸部の幅と凹部の幅との比凸部幅／凹部幅よりも小さいことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、電解質及び当該電解質の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、積層体の端部に配置される単セルは、拡散層に当接するセパレータの面に反応ガス供給路が形成されておらず、かつ、拡散層に反応ガスが供給され、積層体の中央部に配置される単セルにおける、拡散層に当接するセパレータの面には、反応ガス供給路が形成されていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池において、端部に配置される単セルにおける拡散層は多孔質材により構成されるとともに、該拡散層には反応ガス供給路が形成されていないことを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、電解質及び当該電解質の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、積層体の単セル内に反応ガス供給路が形成されるとともに、該反応ガス供給路と拡散層とが接触しており、積層体の端部に配置される単セルにおける反応ガス供給路と拡散層との接触面積が、積層体の中央部に配置される単セルにおける反応ガス供給路と拡散層との接触面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池において、端部に配置される単セルは、拡散層に当接する面に反応ガス供給路が形成されていないセパレータと、当該セパレータに当接する面に反応ガス供給路が形成された拡散層とを備え、中央部に配置される単セルは、拡散層に当接する面に反応ガス供給路が形成されたセパレータを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、端部セルにおいて、セパレータの凸部に当接する拡散層部位のガス透過度を高くすることで、当該部位に存在する水蒸気が、反応ガス供給路内を流れる反応ガスにより持ち去られやすくなる。したがって、本発明によれば、低温始動時において、端部セルの上記拡散層部位における水の凍結を抑制することができるため、端部セルの低温始動性を積層体の中央部に配置されるセル（以下において、「中央部セル」と記述することがある。）よりも向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、端部セルにおいて、拡散層の厚さが薄く構成されているため、反応ガス供給路内を流れるガスと触媒層との距離が近くなる。したがって、触媒層の反応場で生成された水蒸気が供給路内のガスにより持ち去られやすくなるため、端部セルの低温始動性を一層向上させることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、端部セルにおいて、セパレータの凸部の幅が狭く構成されているため、当該凸部に当接する拡散層部位を減少させることができる。セパレータの凸部に当接している拡散層部位及び当該拡散層部位と電解質との間に位置している触媒層部位に存在している水蒸気は、セパレータの凹部に対向している拡散層部位及び当該拡散層部位と電解質との間に位置している触媒層部位に存在している水蒸気よりも反応ガス供給路までの距離が遠い等の理由から、反応ガス供給路内を流れるガスにより持ち去られ難い。そのため、セパレータの凸部に当接している拡散層部位を減少させることで、拡散層及び触媒層内に存在する水蒸気の持ち去られやすさを向上させることができる。したがって、本発明によれば、端部セルの低温始動性をより一層向上させることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、端部セルにおいて、拡散層に当接するセパレータ面に形成された反応ガス供給路は、凹部に対する凸部の幅が小さく構成されているため、拡散層及び触媒層内に存在する水蒸気が反応ガス供給路内を流れるガスにより持ち去られやすい。したがって、本発明によれば、端部セルの低温始動性を更に向上させた燃料電池を提供できる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、端部セルにおいて、拡散層に反応ガスが供給されるため、触媒層の反応場において生成された水蒸気が、反応ガスにより持ち去られやすくなる。したがって、本発明によれば、端部セルの低温始動性を中央部セルよりも向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、端部セルにおいて、反応ガスが供給される拡散層が、多孔質材により構成されているため、反応ガスによる触媒層内の水蒸気の持ち去りやすさを容易に向上させることができる。したがって、本発明によれば、端部セルの低温始動性を一層向上させた燃料電池を提供できる。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、端部セルにおいて、拡散層と反応ガス供給路との接触面積が大きくなるように構成されているため、拡散層内に存在している水蒸気が、反応ガス供給路内を流れるガスにより持ち去られやすくなる。したがって、本発明によれば、端部セルの低温始動性を中央部セルよりも向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００２４】
請求項８に記載の発明によれば、端部セルにおいて、拡散層に反応ガス供給路が形成されているため、拡散層と反応ガス供給路との接触面積を容易に大きくすることができる。したがって、本発明によれば、端部セルの低温始動性を一層向上させた燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
スタック形態の燃料電池において、端部セルは、他のセルに比べて燃料電池の外部へ放熱しやすいため、他のセルよりも温まり難い。そのため、氷点下等の寒冷環境において、端部セルでは、セル内に存在する水及び／又はセル内の電気化学反応により生成された水蒸気が凍結しやすく、かかる凍結は、端部セルの性能を低下させる。したがって、寒冷環境における端部セルの性能、特に、低温始動性を向上させるためには、セル内における水の凍結を抑制する必要があり、これを抑制するためには、寒冷環境における端部セルの排水性（セル内の水をセル外へと排出する性能）を向上させることが効果的である。
寒冷環境のセル内において、水は、氷又は水蒸気の状態で存在し、寒冷環境のセル内に存在する水蒸気は、燃料電池の性能低下をもたらす。したがって、水蒸気をセル外へと排出する性能を高め、排水性を向上させることで、低温始動性を向上させた端部セルとすることができる。
【００２６】
本発明は、このような観点からなされたものであり、その要旨は、端部セルにおける水蒸気の排出性能を向上させることで、端部セルの低温起動性を向上させ、当該端部セルを備える燃料電池を提供することにある。
【００２７】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の各実施形態について、具体的に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の燃料電池の外観図であり、図２は、本発明の燃料電池を構成する単セルを概略的に示す断面図である。
図１に示すように、本発明の燃料電池１００は、単セル１０、１０、…が積層された積層体と、当該積層体の両側に配置された集電板８０、８０及び電気絶縁板９０、９０とを備え、端部セル１０Ａ、１０Ａは、中央部セル１０Ｂ、１０Ｂ、…よりも放熱しやすい。一方で、図２に示すように、単セル１０（図２（ａ）及び（ｂ）では、１０ａ及び１０ｂと記載する。）は、電解質１と当該電解質１の両側に設けられる触媒層２、３とを備えるＭＥＡ４、該ＭＥＡ４の両側に設けられる拡散層５、６（７）、及び、当該拡散層５、６（７）の外側に設けられるセパレータ２０、３０（３１）を備えている。そして、拡散層５、６に当接する面に反応ガス供給路が形成されたセパレータ２０、３０を備える単セル１０ａは、図２（ａ）に示すように、セパレータ２０及び３０に、反応ガス供給路２８、２８、…、及び、３８、３８、…、並びに、冷却水流路２９、２９、…、及び、３９、３９、…が形成されている。ここで、セパレータ２０及び３０が拡散層５及び６に当接する面に形成されている反応ガス供給路２８、２８、…、及び、３８、３８、…は、当該面において凹部２６、２６、…、及び、３６、３６、…を形成し、これらの凹部に隣接する部位には、凸部２５、２５、…、及び、３５、３５、…が形成される。なお、これらのセパレータ２０及び３０は、冷却水流路２９、２９、…、及び、３９、３９、…を流れる冷却水により、冷却されている。他方、カソード側の拡散層に当接する面に反応ガス供給路が形成されていないセパレータ３１を備える単セル１０ｂは、図２（ｂ）に示すように、セパレータ３１には、冷却水流路３９、３９、…が形成されており、カソードの反応ガスは、拡散層７へと供給される。図２（ｂ）において、図２（ａ）と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２９】
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池は、カソード側の拡散層に当接するセパレータの面に反応ガス供給路が形成されている形態の単セルを備える燃料電池である。本実施形態にかかる燃料電池を構成する端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂの断面の一部を、図３（ａ）及び（ｂ）に拡大して示す。図３（ａ）及び（ｂ）において、図２（ａ）と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３０】
第１実施形態にかかる燃料電池は、端部セル１０Ａのセパレータ凸部３５Ａ、３５Ａ、３５Ａに当接している拡散層部位のガス透過度が、中央部セル１０Ｂのセパレータ凸部３５Ｂ、３５Ｂ、３５Ｂに当接している拡散層部位のガス透過度よりも高い。そのため、上記３５Ａに当接している拡散層部位に存在している水蒸気は、上記３５Ｂに当接している拡散層部位に存在している水蒸気よりも、反応ガス供給路３８、３８、３８内を流れる反応ガスにより持ち去られやすい。したがって、かかる構成の端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂを備える燃料電池とすることで、中央部セルよりも優れた排水性を有する端部セルを備える燃料電池とすることができる。すなわち、本実施形態にかかる燃料電池とすることで、低温始動性に優れた端部セルを備える燃料電池を提供することができる。
【００３１】
本実施形態にかかる燃料電池において、端部セル１０Ａのセパレータ凸部３５Ａ、３５Ａ、３５Ａに当接している拡散層部位のガス透過度を、中央部セル１０Ｂのセパレータ凸部３５Ｂ、３５Ｂ、３５Ｂに当接している拡散層部位のガス透過度よりも高くする方法は、特に限定されるものではない。端部セル１０Ａの拡散層の当該部位におけるガス透過度を高くする具体的な方法としては、拡散層の多孔率を変化させることが考えられる。例えば、拡散層６がセパレータ３０に当接する面のうち、少なくとも上記凸部３５Ａと当接すべき部位を構成する多孔体の多孔率が、上記凸部３５Ｂと当接すべき部位を構成する多孔体の多孔率よりも高い多孔率材料で構成することが挙げられる。
【００３２】
本実施形態にかかる燃料電池は、上記構成を採る燃料電池であれば、他の構成は特に限定されず、例えば、拡散層の厚さや、セパレータ凸部の幅等を調整することにより、低温始動性を一層向上させた端部セルを備える燃料電池とすることが好ましい。以下に、図を参照しつつ、本実施形態にかかる燃料電池の他の構成例について具体的に説明する。
【００３３】
本実施形態にかかる本発明の燃料電池の構成例（以下において、「構成例１−１」と記述することがある。）を、図４（ａ）及び（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ｂ）は、本構成例にかかる端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂの断面の一部を拡大して示す図である。図４（ａ）及び（ｂ）において、図２（ａ）と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３４】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、構成例１−１の端部セル１０Ａにおけるカソード側の拡散層６Ａの厚さは、当該構成例１−１の中央部セル１０Ｂにおけるカソード側の拡散層６の厚さよりも薄い。このような構成とすることで、端部セル１０Ａにおけるカソード側の触媒層３Ａと反応ガス供給路３８との距離が、中央部セル１０Ｂにおけるカソード側の触媒層３と反応ガス供給路３８との距離よりも近くなる。そのため、上記触媒層３Ａの反応場で生成された水蒸気は、上記触媒層３の反応場で生成された水蒸気よりも、上記流路３８内を流れる反応ガスにより持ち去られやすくなる。したがって、かかる構成の端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂを備える燃料電池とすることで、中央部セルよりも一層優れた排水性を有する端部セルを備える燃料電池とすることができる。
【００３５】
構成例１−１にかかる燃料電池において、厚さが薄いカソード側の拡散層６Ａを備える単セルは、スタックの両端に配置されている単セルを含む。ここで、燃料電池の積層体を構成する全ての単セルにおいてカソード側の拡散層の厚さを薄くすると、触媒層内における水蒸気の排出性が向上することに起因して電解質膜が乾燥しやすくなり、燃料電池の性能低下を招く可能性があると考えられる。したがって、燃料電池の性能低下を防止しつつ、端部セルの低温起動性を向上させるという観点から、厚さが薄いカソード側の拡散層６Ａを備える端部セル１０Ａは、両端から順に適当な数の単セルを選択することが好ましい。なお、本構成例において、厚さの薄い拡散層６Ａを備える端部セル１０Ａは、厚さの薄いアノード側の拡散層を備える形態とすることもできる。
【００３６】
本実施形態にかかる他の構成例（以下において、「構成例１−２」と記述することがある。）を、図５（ａ）及び（ｂ）に示す。図５（ａ）及び（ｂ）は、本構成例にかかる端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂの断面の一部を拡大して示す図である。図５（ａ）及び（ｂ）において、図２（ａ）と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、構成例１−２の端部セル１０Ａにおいて、カソード側セパレータにおける凸部３５Ａの幅は、当該構成例１−２の中央部セル１０Ｂにおけるカソード側セパレータの凸部３５Ｂの幅よりも狭い。このような構成とすることで、凸部３５Ａに当接している拡散層部位６ａ、６ａ、６ａ、及び、当該部位６ａ、６ａ、６ａと電解質１との間に位置している触媒層部位３ａ、３ａ、３ａを、凸部３５Ｂに当接している拡散層部位６ｂ、６ｂ、６ｂ、及び、当該部位６ｂ、６ｂ、６ｂと電解質１との間に位置している触媒層部位３ｂ、３ｂ、３ｂよりも小さくすることができる。上記部位６ａ及び３ａ、並びに、上記部位６ｂ及び３ｂを、図５（ａ）及び（ｂ）に破線で示す。
上記部位６ａ、６ａ、６ａ、及び、３ａ、３ａ、３ａに存在する水蒸気は、上記部位６ｂ、６ｂ、６ｂ、及び、３ｂ、３ｂ、３ｂに存在する水蒸気よりも、反応ガス供給路３８までの距離が近い等の理由から、反応ガスにより持ち去られやすい。そのため、かかる構成例１−２の形態とすることで、端部セル１０Ａ内の水蒸気を中央部セル１０Ｂ内の水蒸気よりも持ち去られやすくすることができる。したがって、本構成例１−２によれば、端部セル１０Ａの低温始動性をより一層向上させることができる。
【００３８】
なお、構成例１−２と同様の構成は、上記凸部３５Ａの幅と上記凹部３６Ａの幅との比凸部３５Ａ幅／凹部３６Ａ幅を、上記凸部３５Ｂの幅と上記凹部３６Ｂの幅との比凸部３５Ｂ幅／凹部３６Ｂ幅よりも小さくすることによっても、得ることができる。したがって、端部セル１０Ａにおけるセパレータ凸部の幅と凹部の幅との比凸部幅／凹部幅を、中央部セル１０Ｂにおける比凸部幅／凹部幅よりも小さくすることで、端部セル１０Ａの低温始動性を向上させた燃料電池を提供できる。
【００３９】
本実施形態にかかる更に他の構成例（以下において、「構成例１−３」と記述することがある。）を、図６（ａ）及び（ｂ）に示す。図６（ａ）及び（ｂ）は、本構成例にかかる端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂの断面の一部を拡大して示す図である。図６（ａ）及び（ｂ）において、図２（ａ）と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４０】
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、構成例１−３の端部セル１０Ａにおいて、カソード側セパレータに形成されている反応ガス供給路３８Ａの周期は、中央部セル１０Ｂにおいてカソード側セパレータに形成されている反応ガス供給路３８Ｂの周期よりも短い。このような構成とすることで、セパレータの凸部３５Ａに当接している拡散層部位６ａ、６ａ、６ａと反応ガス供給路３８Ａとの距離を凸部３５Ｂに当接している拡散層部位６ｂ、６ｂ、６ｂと反応ガス供給路３８Ｂとの距離よりも短くすることができる。そして、これに伴い、拡散層部位６ａ、６ａ、６ａ及び電解質１の間に位置している触媒層部位３ａ、３ａ、３ａと反応ガス供給路３８Ａとの距離を、拡散層部位６ｂ、６ｂ、６ｂ及び電解質１の間に位置している触媒層部位３ｂ、３ｂ、３ｂと反応ガス供給路３８Ｂとの距離よりも短くすることができる。そのため、上記部位６ａ及び３ａに存在している水蒸気は、上記部位６ｂ及び３ｂに存在している水蒸気よりも、反応ガス供給路内のガスにより持ち去られやすくなる。したがって、本構成例１−３によっても、端部セル１０Ａの低温始動性を向上させることができる。上記部位６ａ及び３ａ、並びに、上記部位６ｂ及び３ｂを、図６（ａ）及び（ｂ）に破線で示す。
【００４１】
なお、上記構成例１−２又は１−３において、上記凸部３５Ａの幅を狭くする、若しくは、上記凸部３５Ａの幅／凹部３６Ａの幅の比を小さくする、又は、上記反応ガス供給路３８Ａの周期を短くすることによって水蒸気の持ち去られやすさを向上させた単セルは、スタックの両端に配置されている単セルを含む。ここで、燃料電池の積層体を構成する全ての単セルにおいて構成例１−２又は１−３により水蒸気の持ち去られやすさを向上させると、セル内における電気の通り道である拡散層とセパレータとの接触界面が小さくなることに起因して、当該セルにおける電気抵抗損失が増大し、燃料電池の性能低下を引き起こす可能性があると考えられる。したがって、燃料電池の性能低下を防止しつつ、端部セルの低温起動性を向上させるという観点から、構成例１−２又は１−３における端部セル１０Ａの数は、両端から順に適当な数を選択することが好ましい。なお、構成例１−２又は１−３において、端部セル１０Ａは、アノード側のセパレータがカソード側のセパレータと同様の形態を備えていても良い。
【００４２】
本発明の第２実施形態にかかる燃料電池は、カソード側の拡散層に当接するセパレータの面に反応ガス供給路が形成されていない形態の単セルを備える燃料電池である。本実施形態にかかる燃料電池を構成する端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂの断面の一部を、図７（ａ）及び（ｂ）に拡大して示す。図７（ａ）及び（ｂ）において、図２（ｂ）及び（ａ）と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２実施形態にかかる燃料電池において、端部セル１０Ａは、カソード側の拡散層７に当接するセパレータ３１の面に反応ガス供給路が形成されていない形態の単セルである一方、中央部セル１０Ｂは、拡散層６に当接するセパレータ３０の面に反応ガス供給路３８、３８、３８が形成されている形態の単セルである。そして、端部セル１０Ａにおけるカソード側の反応ガスは、拡散層７に供給されている。本実施形態にかかる燃料電池をこのような構成とすることで、端部セル１０Ａでは、拡散層７に反応ガスが供給され、拡散層７の内部において反応ガスの流れがより積極的に形成される。そのため、端部セル１０Ａでは、中央部セル１０Ｂよりも、カソード側の触媒層３の反応場において生成された水蒸気がカソード側の反応ガスによって持ち去られやすくなる。したがって、本実施形態にかかる燃料電池とすることで、優れた低温始動性を有する端部セルを備える燃料電池を提供することができる。
【００４４】
本実施形態にかかる燃料電池は、上記構成を採る燃料電池であれば、他の構成は特に限定されるものではないが、例えば、端部セル１０Ａの拡散層７を多孔質材により形成することで、端部セル１０Ａの低温始動性を容易に向上させ得る燃料電池とすることが好ましい。ここで、端部セル１０Ａの拡散層７を多孔質材により形成する場合、その多孔質材は特に限定されるものではなく、例えば、ポーラスに形成されたカーボン、あるいはメッキ法、発泡法等により製造される発泡金属、あるいは焼結金属などを使用することができる。
また、本実施形態にかかる燃料電池において、端部セル１０Ａの拡散層７を多孔質材により形成する場合、当該拡散層７には反応ガス供給路が形成されていない形態とすることが、さらに好ましい。反応ガス供給路を備えず、かつ、多孔質材により形成された、拡散層７にカソードの反応ガスを供給することで、触媒層３内に存在する水蒸気が反応ガスにより一層持ち去られやすくなるため、端部セル１０Ａの低温始動性をより一層向上させることが可能になる。
【００４５】
本実施形態にかかる燃料電池において、カソード側の拡散層７に当接するセパレータ３１の面に反応ガス供給路が形成されていない形態の単セルは、スタックの両端に配置されている単セルを含む。ここで、燃料電池の積層体を構成する全ての単セルを、本実施形態にかかる端部セル１０Ａの形態とすると、カソード側の拡散層における圧力損失が増大し、燃料電池システムの効率が悪化する可能性があると考えられる。したがって、燃料電池システムの効率悪化を防止しつつ、端部セルの低温起動性を向上させるという観点から、本実施形態における端部セル１０Ａの数は、両端から順に適当な数を適宜選択することが好ましい。なお、本実施形態にかかる端部セル１０Ａは、アノード側の拡散層に当接している面に反応ガス供給路が形成されていないセパレータを備えるとともに、アノード側の反応ガスがアノード側の拡散層に供給されている形態であっても良い。
【００４６】
本発明の第３実施形態にかかる燃料電池は、カソード側の拡散層と反応ガス供給路との接触面積が中央部セルよりも大きくなるように構成された端部セルを備える形態である。本実施形態にかかる燃料電池は、このような構成を備えていれば、その形態は特に限定されるものではないが、例えば、端部セルを、拡散層に当接する面に反応ガス供給路が形成されていないセパレータと、当該セパレータに当接する面に反応ガス供給路が形成された拡散層とを備える形態の単セルとするとともに、中央部セルを、拡散層に当接する面に反応ガス供給路が形成されたセパレータを備える形態の単セルすることが好ましい。このような構成とすることで、端部セルにおけるカソード側の拡散層と反応ガス供給路との接触面積を、中央部セルよりも容易に大きくすることができる。本構成にかかる燃料電池を構成する端部セル１０Ａ及び中央部セル１０Ｂの断面の一部を、図８（ａ）及び（ｂ）に拡大して示す。図８（ａ）及び（ｂ）において、図２（ｂ）及び（ａ）と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、第３実施形態にかかる端部セル１０Ａは、カソード側の拡散層７に当接するセパレータ３１の面に反応ガス供給路が形成されておらず、当該セパレータ３１に当接する拡散層７の面に反応ガス供給路３８’が形成されている形態の単セルである一方、中央部セル１０Ｂは、拡散層６に当接するセパレータ３０の面に反応ガス供給路３８が形成されている形態の単セルである。本実施形態にかかる燃料電池をこのような構成とすることで、端部セル１０Ａのカソードにおける拡散層と反応ガス供給路との接触面の面積が、中央部セル１０Ｂのカソードにおける当該面積よりも大きくなるため、端部セル１０Ａの触媒層３内に存在する水蒸気が、反応ガスにより持ち去られやすくなる。したがって、本実施形態によれば、端部セル１０Ａの低温始動性を向上させた燃料電池を提供することができる。
【００４８】
本実施形態にかかる燃料電池において、カソード側の拡散層７に当接するセパレータ３１の面に反応ガス供給路が形成されておらず、当該セパレータ３１に当接する拡散層７の面に反応ガス供給路３８’が形成されている形態の端部セルは、スタックの両端に配置されている単セルを含む。ここで、燃料電池の積層体を構成する全ての単セルを、本実施形態にかかる端部セル１０Ａの形態とすると、拡散層の電気抵抗に起因する電気抵抗損失が増大し、燃料電池の性能低下を引き起こす可能性があるものと考えられる。したがって、燃料電池の性能低下を防止しつつ、端部セルの低温起動性を向上させるという観点から、本実施形態における端部セル１０Ａの数は、両端から順に適当な数を適宜選択することが好ましい。なお、本実施形態にかかる端部セル１０Ａは、カソード側の拡散層７及びセパレータ３１と同様の形態であるアノード側の拡散層及びセパレータを備える形態であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の燃料電池を概略的に示す図である。
【図２】本発明の燃料電池を構成する単セルを概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる単セルの一部を概略的に拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる単セルの一部を概略的に拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる単セルの一部を概略的に拡大して示す断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる単セルの一部を概略的に拡大して示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる単セルの一部を概略的に拡大して示す断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる単セルの一部を概略的に拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  電解質
２、３  触媒層
４  ＭＥＡ
５、６、７  拡散層
１０、１０Ａ、１０Ｂ  単セル
２０、３０、３１  セパレータ
２５、３５  凸部
２６、３６  凹部
２８、３８  反応ガス供給路
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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